農(nóng)村生活污水生物處理數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀與展望

吳星杰，李 麗

(西南林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,云南昆明 650224)

水是生產(chǎn)生活的重要載體，水體的人為污染和管理開發(fā)不當(dāng)導(dǎo)致了黑臭水體的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，目前我國(guó)的主要污染已經(jīng)從城市向農(nóng)村蔓延，并嚴(yán)重制約著綠色生態(tài)美麗鄉(xiāng)村的建設(shè)和發(fā)展[1-3]。

從2017年中共十九大報(bào)告首次提出鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略，到2020年中央1號(hào)文件提到要“扎實(shí)搞好農(nóng)村人居環(huán)境整治，分類推進(jìn)農(nóng)村廁所革命，各地要選擇適宜的技術(shù)和改廁模式，梯次推進(jìn)農(nóng)村生活污水治理，開展農(nóng)村黑臭水體整治?！?再到2021年中央1號(hào)文件《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于全面推進(jìn)鄉(xiāng)村振興加快農(nóng)業(yè)農(nóng)村現(xiàn)代化的意見》提出實(shí)施農(nóng)村人居環(huán)境整治提升五年行動(dòng)，都把農(nóng)村生活污水治理提高到了一個(gè)重要的戰(zhàn)略層級(jí)。

農(nóng)村生活污水主要來(lái)源于日常生活的廚衛(wèi)排水[4-5]。主要污染物包括有機(jī)質(zhì)、洗滌劑、懸浮物、氮磷營(yíng)養(yǎng)成分、細(xì)菌病毒和寄生蟲等。村莊生活污水的主要特點(diǎn)是：①流量較小，日變化系數(shù)大；②濃度較低，波動(dòng)性大，可生化性強(qiáng)； ③分布分散，排水管網(wǎng)不完善，集中收集處理難度大[6]?；谵r(nóng)村污水本身水質(zhì)和水量的特點(diǎn)以及薄弱的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和缺乏專業(yè)技術(shù)人員配備等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，城市集中污水處理工藝并不適合村鎮(zhèn)，因地制宜地分散式生物處理模式是目前傾向采用的方式，利用人工強(qiáng)化的生物處理技術(shù)，在處理成本、管養(yǎng)維護(hù)、處理效果方面有著較大的優(yōu)勢(shì)，在高效處理污水的同時(shí)，還可以提高生物多樣性，美化生態(tài)景觀，具備經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的雙重效益。鑒于農(nóng)村生活污水生物處理反應(yīng)器理論研究對(duì)治理農(nóng)村黑臭水體有著重要的指導(dǎo)意義，近年來(lái)這方面的研究備受關(guān)注。但如何提高處理的效率及效果，節(jié)能降耗、節(jié)約成本，管理簡(jiǎn)化一直都是熱點(diǎn)問(wèn)題。主要原因一是微生物的反應(yīng)過(guò)程具有時(shí)變性、參數(shù)不確定性、高非線性、過(guò)程參數(shù)測(cè)量的滯后性等特性；二是經(jīng)典控制易受環(huán)境干擾或其他不確定性因素的擾動(dòng)，這都使得污水凈化的過(guò)程變得復(fù)雜、處理效果變得難以控制。因此，研究適合農(nóng)村生活污水生物處理過(guò)程的數(shù)學(xué)模型及其控制策略具有十分重要的意義。

1 農(nóng)村生活污水處理工藝及主要特性

基于農(nóng)村生活污水的特點(diǎn)，其處理工藝應(yīng)力求高效、低耗、可再生、廉價(jià)、操作簡(jiǎn)便的原則[6]。根據(jù)技術(shù)原理、特點(diǎn)以及耗能模式，常用處理工藝劃分為氧化塘處理、濕地處理、土壤處理、生物處理、生物+生態(tài)組合處理等類別。表1總結(jié)了目前常用的幾種處理工藝的優(yōu)缺點(diǎn)、適用情況和成本分析。

單純采用某一種處理技術(shù)現(xiàn)已很難達(dá)到預(yù)想的效果，近年來(lái)生物+生態(tài)組合工藝在農(nóng)村生活污水處理中日益受到關(guān)注。該組合工藝前段負(fù)責(zé)去除有機(jī)物，后段負(fù)責(zé)脫氮除磷，生物段和生態(tài)段的優(yōu)勢(shì)顯著，成本較低運(yùn)維方便，出水水質(zhì)和運(yùn)行情況穩(wěn)定[10]。

2 基于機(jī)理的模型研究

基于機(jī)理的模型研究是利用數(shù)學(xué)表達(dá)式定量地或半定量地描述復(fù)雜的污水處理生化反應(yīng)過(guò)程，并研究各設(shè)計(jì)參數(shù)、各運(yùn)行參數(shù)與環(huán)境因素之間的關(guān)系，揭示反應(yīng)器處理規(guī)律。該研究主要針對(duì)目前采用幾類模型研究進(jìn)展進(jìn)行探討。

2.1 活性污泥數(shù)學(xué)模型早期的污染物降解動(dòng)力學(xué)是從20世紀(jì)50年代發(fā)展起來(lái)的。Eckenfelder、McKinney、Andrews、Lawrence等在污水生物處理中引入了微生物增值的理論，污水的生物處理動(dòng)力學(xué)模型可以分為理論模型和試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚11]。這些模型的優(yōu)點(diǎn)是極大簡(jiǎn)化了復(fù)雜的生物處理系統(tǒng)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行更科學(xué)更合理，這幾個(gè)模型之間的區(qū)別是有機(jī)物降解速率表達(dá)式的不同，劃分活性污泥組分不同。不足之處在于，當(dāng)基質(zhì)濃度變化時(shí)，它們都不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)微生物增長(zhǎng)速度的變化情況，有一定的滯后性，無(wú)法實(shí)時(shí)跟蹤氧利用的變化情況。

為了解決靜態(tài)模型的不足，動(dòng)態(tài)的數(shù)學(xué)模型應(yīng)運(yùn)而生，典型的模型有Andrews模型、WRC模型、ASMs模型等。這些模型均基于活性污泥動(dòng)力學(xué)理論，側(cè)重對(duì)生物處理過(guò)程的基本機(jī)理進(jìn)行分析，綜合考慮影響生物處理的各種因素，系統(tǒng)具有較好的時(shí)變特性。目前這些動(dòng)態(tài)模型在工程設(shè)計(jì)、在線監(jiān)測(cè)、管理控制方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用，不足之處是由于反應(yīng)過(guò)程復(fù)雜，致使參數(shù)繁多，辨識(shí)困難，模型階次較高，仍然存在直接應(yīng)用困難的問(wèn)題，各種活性污泥數(shù)學(xué)模型對(duì)比見表2。

表1 常用農(nóng)村生活污水處理技術(shù)的對(duì)比[3][7-9]Table 1 Comparison of common rural domestic sewage treatment technologies [3][7-9]

表2 各種活性污泥數(shù)學(xué)模型的對(duì)比Table 2 Comparison of various activated sludge mathematical models

我國(guó)對(duì)生物處理數(shù)學(xué)模型的研究起步較晚，1993年，顧夏聲[11]首次系統(tǒng)地闡述了廢水處理的生物數(shù)學(xué)模型。2006年，林紅軍等[21]運(yùn)用了基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)，在MBR工藝中進(jìn)行了參數(shù)的選用，并給出確定的概念。近些年來(lái)生物處理模型的不斷開發(fā)研究，極大地促進(jìn)了模型在工程實(shí)踐中的運(yùn)用，比如丁杰等[22]利用Lawrence-McCarty 模型建立在MBBR反應(yīng)器中處理城鎮(zhèn)生活污水的降解動(dòng)力學(xué)模型，探究系統(tǒng)內(nèi)生物量與進(jìn)水底物去除效率的相互關(guān)系，并預(yù)測(cè)系統(tǒng)的處理效果和載體的填充率取得了擬合值較高的參數(shù)。張事等[23]研究有機(jī)物隨曝氣時(shí)間的變化規(guī)律，并對(duì)其降解規(guī)律進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，模型擬合較好。楊文煥等[24]基于Monod方程對(duì)SMBBR工藝進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，得到相關(guān)性較好的有機(jī)物、總氮、總磷的降解動(dòng)力學(xué)方程。

2.3 生物膜法數(shù)學(xué)模型生物膜法數(shù)學(xué)模型主要是研究微生物在載體表面聚集生長(zhǎng)的過(guò)程，研究污染物從生物膜表面轉(zhuǎn)移至內(nèi)部的傳質(zhì)過(guò)程[25]。表3所列的研究模型是生物膜法數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)程，這些模型的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)生物膜的形成和傳質(zhì)均進(jìn)行了詮釋，建立污染物降解動(dòng)力學(xué)模型和生物膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型，這些模型之間的區(qū)別是前期的研究主要集中在生物膜的形成、構(gòu)成、結(jié)構(gòu)和功能，后期的研究集中在多維物種的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)機(jī)理分析。不足之處在于，模型大多復(fù)雜，所需數(shù)據(jù)龐大，參數(shù)難測(cè)定，而簡(jiǎn)化模型的假設(shè)與實(shí)際偏差較大，未能在應(yīng)用市場(chǎng)上得到充分肯定，還有待進(jìn)一步的研究。

表3 各種生物膜法數(shù)學(xué)模型的對(duì)比Table 3 Comparison of mathematical models of various biofilm methods

2.4 厭氧生物處理的數(shù)學(xué)模型厭氧微生物學(xué)中具有代表性的是Monod方程，其模型簡(jiǎn)單，便于數(shù)據(jù)處理，廣泛應(yīng)用于厭氧生物反應(yīng)過(guò)程。在此基礎(chǔ)上Contois、McCAety、Andrews等對(duì)模型進(jìn)行改進(jìn)和修正，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IWA)于2002年提出ADM1模型，全面系統(tǒng)地分析了整個(gè)厭氧消化過(guò)程的機(jī)理，在給定條件下能較好地模擬和預(yù)測(cè)反應(yīng)器運(yùn)行狀況。這些模型及其衍生模型在城市的污水處理技術(shù)和運(yùn)行優(yōu)化中已經(jīng)得到了很好地應(yīng)用，但在農(nóng)村生活污水處理中的應(yīng)用還很少。各種厭氧生物處理法數(shù)學(xué)模型對(duì)比見表4。

表4 各種厭氧生物處理法數(shù)學(xué)模型的對(duì)比Table 4 Comparison of mathematical models of various anaerobic biological treatment methods

2.5 人工濕地處理的數(shù)學(xué)模型人工濕地模型有衰減模型、一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和Monod模型[34]。衰減模型是將處理全過(guò)程看作“黑箱”，在大量檢測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，搭建“輸入”與“輸出”的關(guān)系方程，并進(jìn)行擬合，模型簡(jiǎn)單，操作容易，計(jì)算便捷，但準(zhǔn)確度和適應(yīng)性較差。一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型是目前人工濕地設(shè)計(jì)中常用的數(shù)學(xué)模型，但需要作理想推流流態(tài)的假設(shè)，受環(huán)境因素的影響較大，模型的擬合度還有待進(jìn)一步提高。人工濕地Monod模型適用于模擬人工濕地去除污水中污染物的降解過(guò)程，適用范圍廣泛[35]。這些模型存在的問(wèn)題是，它們都建立在某一個(gè)具體案例地的基礎(chǔ)之上，對(duì)環(huán)境影響和人類活動(dòng)的影響的適應(yīng)性較差，導(dǎo)致模型的準(zhǔn)確性受限。各種人工濕地處理法數(shù)學(xué)模型見表5。

3 問(wèn)題和展望

從實(shí)際應(yīng)用出發(fā)，農(nóng)村生活污水污染物降解模型的應(yīng)用確實(shí)能夠有針對(duì)性地解決問(wèn)題，并能保質(zhì)增效，節(jié)能降耗，但是由于農(nóng)村分散的生活污水存在多因素的干擾，需要綜合考慮這些因素，提升模型的精度，以期達(dá)到水質(zhì)的合理預(yù)測(cè)與控制，更好地運(yùn)用于農(nóng)村分散生活污水治理與運(yùn)行管理。

3.1 模型的靈活性和適應(yīng)性有待提高現(xiàn)在已有的模型缺乏真正意義上的靈活性與適應(yīng)性，它們基本都是一對(duì)一的，一旦給定一個(gè)結(jié)構(gòu)及參數(shù)后模型就被固定，若想通過(guò)該模型來(lái)計(jì)算其他不同結(jié)構(gòu)和參數(shù)的算例時(shí)，則不能滿足計(jì)算，需要改進(jìn)建立新的模型并驗(yàn)證后才能計(jì)算新情況下的算例，這一局限性嚴(yán)重制約了模型的實(shí)際應(yīng)用。因此對(duì)模型進(jìn)行不確定性的分析就變得十分必要，通過(guò)此分析可以理清并盡量減少不確定性因素對(duì)模型的影響，預(yù)測(cè)污水處理對(duì)這些因素的抗沖擊負(fù)荷，從而加強(qiáng)模型穩(wěn)定性和適應(yīng)性，保證水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。目前在污水處理領(lǐng)域中多采用的檢驗(yàn)?zāi)Ｐ涂煽康姆椒ㄓ蠱C法、SA法[42]。

表5 各種人工濕地處理法數(shù)學(xué)模型的對(duì)比Table 5 Comparison of mathematical models of various constructed wetland treatment methods

3.2 模型動(dòng)態(tài)化以提高運(yùn)行的自適應(yīng)能力針對(duì)農(nóng)村生活污水處理模型研究多基于靜態(tài)模型，但污水處理本身就是一個(gè)復(fù)雜多變的過(guò)程，脫氮和除磷的過(guò)程交替進(jìn)行著，同時(shí)外界環(huán)境對(duì)模型的影響較大，進(jìn)水水質(zhì)參數(shù)一旦發(fā)生變化，模型的精度將受到較大的影響。因此應(yīng)根據(jù)進(jìn)出水負(fù)荷和工況等變化，實(shí)現(xiàn)污水處理全過(guò)程的模型與參數(shù)的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整。目前多采用的模型有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、專家推理等，用智能建模的方法，并配合自組織學(xué)習(xí)算法，比如貢獻(xiàn)度分析、敏感度分析、相關(guān)性分析實(shí)現(xiàn)模型的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)，不過(guò)這些方法存在預(yù)設(shè)參數(shù)多、計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。如何既能降低模型的復(fù)雜性，又實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤自適應(yīng)是當(dāng)前模型設(shè)計(jì)的研究方向。

3.3 針對(duì)農(nóng)村生活污水的模型應(yīng)用有待加強(qiáng)生物處理系統(tǒng)模型的研究應(yīng)用在城市污水處理中已經(jīng)取得了顯著的成果，但是在農(nóng)村分散式污水生物處理方面的應(yīng)用還較少，且不同地區(qū)的環(huán)境差別很大，實(shí)驗(yàn)室的中試研究與實(shí)際應(yīng)用還有一定的差別，今后有必要加強(qiáng)數(shù)學(xué)模型在農(nóng)村分散式生活污水處理方面的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著美麗鄉(xiāng)村建設(shè)的不斷推進(jìn)，農(nóng)村污水排放標(biāo)準(zhǔn)要求的不斷提高，如何保證農(nóng)村分散式污水處理設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)能降耗，降低運(yùn)行管理費(fèi)用成為目前面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，對(duì)污水處理系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝運(yùn)行和管理提出了更新和更高的要求，相比傳統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)，應(yīng)用模型對(duì)于農(nóng)村生活污水處理具有更廣的發(fā)展?jié)摿蛢?yōu)勢(shì)。但是目前數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于農(nóng)村污水的研究還較少，在提升模型的精度、適用性、動(dòng)態(tài)化方面仍需要進(jìn)一步的深入研究。